Есть такой тип учёных, которые занимаются разработкой максимально экзотических теорий. Они действуют в стиле: «давайте придумаем что-то эдакое, чтобы это было и удивительно, и непротиворечиво по отношению к имеющимся фактам». Особенно бурной фантазией обладают астрофизики: железные звёзды, кварковые звёзды, преонные звёзды… И это далеко не полный список необычайных звёзд!

Космическая эра началась недавно – всего каких-то 60 лет назад, когда были запущены первые орбитальные аппараты и первые космонавты. Сегодня глубины Вселенной «просматриваются» мощнейшими телескопами, а в окрестностях планет Солнечной Системы выполняют свою миссию разные автоматические станции. Но даже соседка Луна пока ещё не раскрыла всех своих тайн, чего уж говорить о более дальних масштабах!

В общем, астрофизики решили идти по принципу древних мифотворцев, которые, не зная, что за существа обитают на «краю земли», включали воображение и описывали их в виде огнедышащих драконов и прочих фантастических чудовищ. Надо сказать, в науке смелые гипотезы не только не возбраняются, а ещё и приветствуются. Достаточно вспомнить планету Нептун, которую сначала вычислили на бумаге, а уж затем обнаружили на небе.

Теперь пожелаем успехов нашим учёным в творчестве такого рода и расскажем о самых необычных гипотетических звёздах. Есть гипотеза, которая гласит, что кварки и лептоны не являются фундаментальными частицами, а состоят из преонов – частиц глубочайшего уровня. Если это так, то по аналогии с кварковыми звёздами могут существовать и преонные звёзды с более чудовищной плотностью (10^20 г/куб.см). Грубо говоря, такая звёздочка при радиусе в 175 метров будет иметь массу двух Солнц. Поскольку в теории преонная звезда не испускает излучения, её удастся обнаружить только посредством эффекта гравитационной линзы.

Раньше мы уже рассказывали Вам об объектах, которые называли чисто гипотетическими, то есть, таковыми, существование которых может быть подтверждено уже в ближайшее время. При этом приводили даже кандидатов на эти объекты, подходящие хотя бы примерно под их предварительные теоретические критерии. Сегодня же мы расскажем Вам не просто о гипотетическом объекте, а скажем больше – даже чисто фантастическом, поскольку кандидатов во Вселенной, попадающих хотя бы даже под общее определение, не то что нет, а не предвидится даже на ближайшие лет сто, а то и больше. Не исключено, что общая теория о таких объектах так и останется не более, чем красивой теорией, а может быть даже и мифом. Сегодня речь пойдет о преонных звездах (по-английски – preon star).

Перед началом нашего рассказа о таких звездах, давайте сначала немного поговорим об их, так сказать, составляющем материале, то есть преонах. Что же это такое?

В физике элементарных частиц преоны представляются теоретически как точечные частицы из которых якобы состоят два полуспинных семейства фермионов, то есть, кварки и лептоны. Само название «преон» (preon) было предложено Джогешем Пати и Абдусом Саламом в 1974 году, после того, как сама преонная модель частиц была буквально слеплена в 60-е годы прошлого столетия. Тот период можно смело называть эпохой массового открытия элементарных частиц, при определении характеристик которых просматривалась четкая своеобразная иерархия или, как ее еще можно назвать, структурная сетка, очень похожая на схему происхождения и эволюции видов в биологии, за что все это многообразие открытых и известных на тот период частиц образно назвали «зоопарком».

Естественно, теоретики тогда предположили, что иерархия или структурная сетка элементарных частиц может быть объяснена только лишь их общим происхождением, то есть, образно говоря, материалом или более элементарными кирпичиками, из которых все они могут состоять. Такие своеобразные кирпичики и назвали преонами.

В своем развитии пика популярности в научных кругах теория преонов достигла в 80-х годах 20 столетия, однако после этого наметился ощутимый спад темпов ее прогресса, а может быть и научной состоятельности, поскольку существующая Стандартная модель физики частиц продолжала весьма успешно описывать их природу и без преонов. Примерно в это же время и чуть позже в жизнь усиленно претворялась конкурирующая теория струн, что до начала 21 века окончательно затмило существование преона. В текущем столетии в научном мире на злобу дня появились такие непонятные, а порой и мистические вещи как темная материя и темная энергия, которые существенно поколебали состоятельность многих научных теорий и моделей. В этом свете объяснить все, так сказать, «темное» попытались и с помощью старых занафталиненных и забытых теорий, среди которых из темного шкафа забвения была вытащена на свет и преонная теория.

Теперь давайте перейдем непосредственно к преонным звездам, которые согласно существующей модели, должны, как мы уже все поняли, состоять из элементарных частиц, пребывающих в свободном несвязанном состоянии. При этом они должны быть более фундаментальными, чем, скажем например, кварки.

Существование подобных объектов во Вселенной было впервые теоретически обосновано в 2005 году шведскими физиками Фредриком Сандином и Йоханом Ханссоном из Технологического университета Лулео. Далее теория преонных звезд дополнялась и изменялась в зависимости от новых открытий и экспериментального подтверждения той или иной очередной частицы.

Существующая модель преонных звезд на данный момент состоит из двух направлений. По первому направлению, преонная звезда должна иметь плотность, не менее чем 10 в 20 степени или сто квинтиллионов грамм на сантиметр кубический. При этом ее масса не будет больше одной сотой массы нашего Солнца при диаметре такого объекта, не превышающем 100 метров. По второму ответвлению теории, плотность преонной звезды вообще выводят выше даже, чем 10 в 23 степени или 100 секстиллионов грамм на кубический сантиметр при максимальных массе в 100 Солнц и радиусе всего лишь в 1 метр.

Примечательно, но, все по той же современной модели преонных звезд, определено также и два пути их образования.

Первый путь назван эволюционным и предусматривает вероятность образования преонной звезды в результате взрыва сверхновой от звезды обычной, но массивной. В качестве условий такого образования называется ограничение по массе ядра взорвавшейся звезды, которая не должна быть больше условного предела Оппенгеймера–Волкова, чтобы не сколлапсировать в черную дыру, в то же время, она и не должна быть меньше вообще размытого параметра массивности, который бы не давал кварковой звезде превратиться в преонную.

Учитывая то, что кварковые звезды у нас существуют пока что в представлении ученых теоретиков и на бумаге со всеми вытекающими отсюда последствиями, то определить хотя бы примерно нижний предел массы преонной звезды штука не только не простая, но и невозможная. Не ясным является и сам процесс формирования преонных звезд в этом случае, то есть процесс перехода обычной материи в состоянии преонной под воздействием давления, связанного с собственной массой коллапсирующего ядра. Если формирование кварковой материи при образовании кварковых звезд еще как-то можно притянуть теоретически за уши, то природу дальнейшего распада кварков на преоны трудно даже себе представить.

Второй путь образования преонных звезд образно назвали «Путем Творения». По нему такие объекты должны били образоваться сразу же после Большого Взрыва, как результат флуктуаций плотности из первичной преонной материи. Ага, опять же, если такая материя существовала после Большого взрыва. Примечательно, но второй путь большинство теоретиков считали долгое время более чем бредовым, до тех пор, пока не появилась упомянутая выше проблема с объяснением природы темной материи. Вот тут то и вспомнили о преонах и преонных звездах, которые якобы могли образоваться в младенчестве нашей Вселенной и с успехом дожить до наших дней.

По одной из теорий, темная материя, как раз и представляет собой группы или группировки преонных звезд, которые, оставаясь невидимыми для нашего классического восприятия окружающего мира и не взаимодействуя с обычной барионной видимой материей, создают за счет своих колоссальных суммарных масс необходимый гравитационный пул для формирования и поддержания целостности галактик. Ну, тут сказать нечего, теория красивая сама по себе, как в прочем и другие подобные ей, касающиеся темной энергии и материи.

Теперь, возможно, самый интересный вопрос: а как же обнаружить преонную звезду? Опять много непонятного. По мнению одних теоретиков, преонная звезда не излучает энергию, по крайней мере, в известных для нас на данный момент диапазонах, а поэтому хоть как-то определить ее местоположение можно косвенно по ее массе и гравитационному воздействию на окружающий ее космос. То есть ее можно будет обнаружить, если она будет исполнять роль гравитационной линзы, скажем, в случае с гамма-излучением. Учитывая размеры преонной звезды, предложенные двумя упомянутыми выше направлениями, с применением теории вероятности в известных ныне объемах наблюдаемой Вселенной это означает практически «никогда».

Как считает другая группа ученых, преонные звезды все же излучают, либо способствуют излучению частиц ультравысоких энергий, значительно превышающих предел Грайзена–Зацепина–Кузьмина в 50 эксаэлектронвольт. Спорить в этом плане со второй группой теоретиков вообще не представляется возможным, так как никто в мире до сих пор и близко ничего путнего не может сказать о происхождении этих почти мистических ультравысокоэнергетичных частиц.

Все дело в том, что существование преонов в значительной мере противоречит усиленно развиваемым нынче в науке теории бозона Хиггса и Стандартной модели физики. Как мы знаем с Вами, не так давно бозон Хиггса, точнее его существование, было официально признано ЦЕРНом, то есть Европейской организацией ядерных исследований. А это значит, что все то, что противоречит его природе, будет в преть в таком интересном и специфическом мире, как научный, отметаться на корню, в том числе и преон.

Отягощает ситуацию с конкурентноспособностью преонной теории и то, что предложенные методы подтверждения существования преона путем гравитационного фемтоселения и пекулярного разложения на составляющие гравитационных волн, до сих пор абсолютно никакого результата не дали. К тому же преоны, если все же и существуют в природе, то их невозможно получить сейчас на Земле, даже при помощи Большого адронного коллайдера, поскольку для этого потребуются, возможно, условия, сравнимые с условиями, имевшими место при Большом Взрыве, а до этого человечество не доросло пока еще и близко.

Таким образом, преонные звезды – это интереснейшие объекты, но они настолько гипотетические с учетом выше изложенного, что на данный момент уверенно себя чувствуют только разве что в мире фантастики да еще в существенно пошатнувшихся теоретических моделях физиков-оптимистов, из числа их приверженцев.

Гипотетические преонные звезды могут являться продолжением кварковых. Когда звезда сожмется настолько, что превратится в кварковую звезду, но при этом по-прежнему сохранит достаточно массы, чтобы продолжать процесс коллапса, то кварки, по мнению ученых, начнут разделяться на преоны.

К настоящему моменту наукой не найдено способа разделения кварков на преоны. Тем не менее если кварки из них действительно состоят, то теоретически звезда будет способна достигнуть еще более плотного состояния.

Когда звезда массой от 3 до 10 масс Солнца истощает своё топливо, она становится сверхновой, колоссальным взрывом рассеивая часть своего вещества в космическое пространство. После этого её ждет судьба нейтронной звезды, состоящей из сдавленных друг с другом нейтронов, но что если давление гравитации окажется слишком высоким? В таком случае уже сами нейтроны окажутся, разорваны на свои составляющие части – кварки.

Подобные гипотетические объекты, где кварки свободно перемещаются внутри звездного ядра, называются кварковыми звездами. Но что будет, если повысить давление ещё выше, но при этом его всё равно будет недостаточно, для того, чтобы звезда превратилась в черную дыру. В таком случае кварки будут разорваны на свои гипотетические составляющие – преоны. Преоны это окончательные фундаментальные частицы, комбинацией которых можно объяснить свойства всех остальных частиц. Это очень занятная гипотеза, но, к сожалению, она противоречит Стандартной Модели, которая успешно объясняет окружающую реальность, хоть и не до конца. И самое главное, преонная гипотеза противоречит существованию Бозона Хиггса, который был успешно обнаружен.

Но что, если допустить реальность преонов, как если бы они и в самом деле существовали, и преонная гипотеза оказалась верной? Тогда звезда, обладающая массой, лишь немного недотягивающей до превращения звезды в черную дыру, смогла бы превратиться в звезду преонную. Звезду при массе более трех солнечных, обладающую радиусом всего несколько километров. Звезду с невероятной плотностью. При массе равной массе Земли, она имела бы размер примерно равный размеру теннисного шарика. Но преонная гипотеза была признана неверной, и никаких следов преонной сверхновой обнаружено не было. Так что место для преонных звезд осталось исключительно в научной фантастике, там, где они смогут получить достаточно уважения.

Философы на протяжении веков рассуждали, какая из частиц является наименьшей из возможных в разделении материи. С наблюдением протонов, нейтронов и электронов, ученые думали, что они нашли базовую структуру Вселенной. Однако, когда наука пошла вперед, все более мелкие и мелкие частицы были найдены ими.

Заново ученые создали концепцию нашей Вселенной. Гипотетически, это может продолжаться вечно, но некоторые теоретики предложили считать частицу преон как наименьший кусок природы.

Точка частиц Преонов, не имеет пространственного измерения. Часто физики описывают такие частицы, как электрон, как точечную частицу, но это всего лишь удобная модель.

Электроны на самом деле имеют размерность. Преон, теоретически, размерности не имеет. Преоны – самые основные субатомные частицы.

Хотя исследования преонов в настоящее время не в моде, это не остановило ученых. Они обсуждают, как преонные звезды будут выглядеть. Преонная звезда будет очень маленькая, размером где-то с горох или футбольный мяч. Упакована в эту крошечную область будет масса Луны.

Преон звезды будут иметь свет астрономических стандартов, но они гораздо плотнее, чем нейтронные звезды, чем плотность наблюдаемых объектов. Эти маленькие звезды будет крайне трудно понять, и будет видна только область гравитационного линзирования и гамма-излучения.

Из-за их незаметного характера, некоторые теоретики предполагают, что преон звезд – кандидаты для темной материи. Тем не менее, исследователи ускорителей частиц сосредоточились на исследованиях частиц бозона Хиггса – вместо того, чтобы искать преоны. Так что это займет долгое время, прежде чем существование преонов будет доказано или опровергнуто. И еще больше времени понадобится, чтобы найти Преонную звезду.

Одна из причин, по которой у теории преонных звезд так мало сторонников, заключается в том, что существование преонов противоречило бы не только теории бозона Хиггса , но и Стандартной модели физики. Поскольку бозон Хиггса был предварительно подтвержден ЦЕРНом, преобладающая в настоящее время теория состоит в том, что существование преонов невозможно. Два метода, которые используются для поиска преонов – гравитационное фемтолинзирование и поиск гравитационных волн – пока ничего не дали.

Преоны, если они существуют, будет невозможно создать даже с помощью Большого адронного коллайдера, поскольку для этого потребуются условия, аналогичные условиям Большого взрыва.

Физики из Технологического университета Лулео (Швеция) опубликовали любопытную статью, в которой сомнительная идея о существовании преонов превращается во вполне проверяемую рабочую гипотезу.

Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, все вещество во Вселенной состоит из шести кварков и шести лептонов. Однако около тридцати лет назад некоторые теоретики решили, что даже дюжина – слишком много. То есть лептоны и кварки, в свою очередь, состоят из более мелких частиц, преонов.

Достаточно, например, всего трех. С тех пор идея существования преонов пользовалась у теоретиков то большей, то меньшей популярностью, но по сей день ни одна из разнообразных преонных теорий не вела к экспериментально проверяемым фактам. Слишком много энергии потребовалось бы, чтобы расколотить кварк на преоны, и такого уровня нельзя достичь ни на одном из современных ускорителей. А то, что нельзя проверить, уже выходит за рамки науки.

Но недавно шведские теоретики решили посмотреть, что будет, если из преонов образовать звезды. Если взять канонический сценарий Большого взрыва, в котором, согласно современной физической вере, родилась наша Вселенная, мы увидим, что сначала были лептоны и кварки. Кварки, остывая, объединились в протоны и нейтроны, те, еще подостыв и объединившись с электронами, образовали атомы, и так далее. А значит, не будет большой ересью предположить, что еще до лептонов и кварков были преоны, и часть из них из−за флуктуаций не стала обычной материей, а образовала чисто преонные звезды. Обсуждают же нейтронные звезды и звезды из кварков, чем же преоны хуже.

Прикинули, какими могут быть преонные звезды. Оказалось, что их масса должна быть значительно меньше, чем у обычных звезд, – не больше сотни земных масс, но плотность гораздо выше, чем у нейтронных звезд и даже звезд из кварков. Нижнего предела массы вроде бы нет, но ученые решили, что более вероятны преонные звезды размером с горошину и с массой чуть меньше, чем у Луны. Такой горох, редко рассеянный по пространству, слишком мал, чтобы его наблюдать непосредственно, зато он прекрасный кандидат на роль темной материи.

И эти умозаключения так бы и остались очередной теоретической сказкой, если бы теперь авторы не объяснили, как такой преонный горох обнаружить. Оказывается, подобные объекты будут хорошо работать как гравитационные линзы. Гравитационное линзирование – отклонение лучей света, проходящих мимо массивных объектов, – давно известно астрофизикам. Но преонные звезды будут хорошо взаимодействовать не со светом, а с гамма-квантами, которые время от времени рождаются в различных вселенских катастрофах вроде взрывов сверхновых. Правда, преонный горох не усилит гамма−сигнал, как обычная гравитационная линза, зато оставит характерный след в его спектре.

Другой способ обнаружения преонных звезд заключается в регистрации гравитационных волн. Их будут эффективно излучать две горошины, если они образуют пару и, как двойные звезды, начнут вращаться вокруг общего центра масс. Если такая пара окажется вблизи Солнца, то ее гравитационные волны будут столь сильными и высокочастотными, что их сможет зарегистрировать настольный прибор (сегодня для этой цели применяются гигантские подземные детекторы гравитационных волн, которые до сих пор так ничего и не поймали).

И наконец, если небольшая преонная звезда столкнется с Землей, это событие можно будет зарегистрировать сейсмодетекторами. Горошина так мала и массивна, что просто пробьет нашу Землю насквозь, не причинив больших разрушений. Но на сейсмодетекторах должен остаться характерный сигнал.

Теоретики редко предлагают массу экспериментальных способов для подтверждения их любимой гипотезы. И теперь слово за специалистами. Ведь если даже проанализировать уже накопленный массив астрономических и сейсмических данных, быть может, очень повезет и найдутся следы преонных горошин. Или, скорее, выяснится, что их существование весьма маловероятно.